Efficiency measurement of the AEgIS FACT detector and development of analysis tools

Abstract

This thesis presents the results of a years work on the FACT (Fast Annihilation Cryogenic Tracker) detector of the AEgIS experiment at CERN. FACT is a tracking detector that uses scintillating fibers to track charged pions from antiproton annihilations. As the AEgIS experiments primary antihydrogen detector, FACT plays a critical role in achieving the collaborations goal of performing a gravity measurement on antihydrogen. The first part of this thesis covers the basics of the detector including mechanical design, hardware, measurement capabilities and the developed analysis software. In the second part a method for determining the efficiency of the individual channels of FACT is derived. As the approach does not require an external reference detector, it is dubbed the “MEM" (Münchhausen efficiency method). More generally speaking, the MEM presents a way to measure the efficiencies of the smallest detection units of any pixel or pixel-like tracking detector. In the third chapter, the MEM is applied to antiproton annihilation data to extract the average fiber efficiency of FACT which is found to be 46.This translates to an average charged pion tracking efficiency of around 50%. For this efficiency 0.75 tracks can be expected to be reconstructed per anti-hydrogen annihilation. Additionally, a total of 30 dead channels are identified which can be repaired for a boost in detection efficiency. Through time-resolved comparison with another detector system in the AEgIS experiment a saturation effect of FACT as a result of a too high antiproton annihilation rate was identified. Using the MEM with cosmic radiation for a measurement of the FACT efficiency and calibration of the detector had to remain uncharted territory due to algorithmic limitations which are discussed as well. Details on the locations of the current bottlenecks are provided so that this thesis may serve as a basis for future work and contribute to the success of the AEgIS

Die vorliegende Arbeit behandelt die Ergebnisse von einem Jahr Arbeit am FACT Detektor (Fast Annihilation Cryogenic Tracker) des AEgIS Experiments am CERN. FACT ist ein Teilchenspurdetektor, der mittels szintillierender Kunststofffasern Spuren von geladenen Pionen aus Antiprotonannihilationen misst. Als Haupt-Antiwasserstoffdetektor des AEgIS Experiments, spielt er eine tragende Rolle auf dem Weg zur Messung der Gravitationskonstante von Antiwasserstoff. Das erste Kapitel behandelt Grundlagen des Detektors in den Aspekten mechanisches Design, Hardware, Spurrekonstruktionsstrategie und die für Datenanalyse entwickelte Software. Im zweiten Kapitel wird eine Methode zur Messung der Effizienz der einzelnen Kanäle von FACT entwickelt. Nachdem sie ohne äußeren Referenzdetektor auskommt, wird die Methode “MEM" (Münchhausen Effizienz Methode) genannt. Der Einsatz der MEM ist allerdings nicht auf FACT beschränkt, sondern kann allgemein zur Messung der Effizienz der kleinsten Detektionselemente eines beliebigen Spurrekonstruktionsdetektors verwendet werden. Im dritten Kapitel wird mit Hilfe der MEM unter Verwendung von Messdaten von Antiproton Annihilationen eine durchschnittliche Kanaleffizienz von ca. 46% bestimmt. Umgerechnet entspricht dieser Wert entspricht einer Spurrekonstruktionseffizienz für geladene Pionen von ungefähr 50%. Pro Antiwasserstoffannihilation können damit in etwa 0.75 Teilchenspuren rekonstruiert werden. Außerdem werden insgesamt 30 defekte Kanäle identifiziert, welche repariert werden können um eine unmittelbare Effizienzsteigerung des Detektors zu erzielen. Mittels zeitaufgelöster Vergleichsmessung mit deinem zweiten Detektorsystem des AEgIS Experiments wurde ein Saturationseffekt bei FACT entdeckt. Dieser tritt als Folge einer zu hohen Antiprotonannihilationsrate auf und äußert sich in stark reduzierter Detektionseffizienz. Die Verwendung von kosmischer Strahlung zur Effizienzbestimmung und Kalibrierung von FACT blieb leider unerforschtes Terrain. Der Grund dafür sind algorithmische Limitationen, die ebenfalls im dritten Kapitel im Detail diskutiert werden. Damit soll diese Arbeit als Grundlage für zukünftige Entwicklungen dienen und zum Erfolg des AEgIS Experiments beitragen.